鄢子鵬，鄭夢(mèng)啟，王成業(yè)，陳國(guó)煒，王偉，袁守軍，蘇饋?zhàn)?/p>

（1 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2 安徽省農(nóng)村水環(huán)境治理與水資源利用工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

當(dāng)前，隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加速，工業(yè)廢水處理已成為決定工業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。相較于市政污水和農(nóng)業(yè)廢水，工業(yè)廢水中普遍存在高氮、可生化碳源不足、營(yíng)養(yǎng)不均衡等問題，部分特殊工業(yè)廢水如煤氣化廢水中含有大量酚氨污染物與雜環(huán)及多環(huán)芳香化合物 。工業(yè)廢水大量排放導(dǎo)致自然水體生態(tài)平衡紊亂，成為我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化、黑臭水體等重大環(huán)境問題的主要根源[1]。

生物脫氮是工業(yè)廢水處理領(lǐng)域最主要的脫氮工藝。目前，以傳統(tǒng)生物脫氮工藝、厭氧氨氧化（Anammox）和短程硝化反硝化（Sharon）為主流的生物脫氮工藝在工業(yè)廢水處理中應(yīng)用廣泛，對(duì)無(wú)機(jī)氮具有良好的去除性能。然而，主流物脫氮工藝處理低C/N 工業(yè)廢水存在明顯的局限性。一方面，富氮工業(yè)廢水（制藥、化工等廢水）中氮雜環(huán)化合物對(duì)氨氧化菌、硝化菌及反硝化菌活性存在抑制作用，限制了異養(yǎng)脫氮和自養(yǎng)脫氮工藝的發(fā)展[2]；另一方面，由于氮雜環(huán)化合物具有“缺π電子結(jié)構(gòu)”，其雜氮原子相比于苯環(huán)具有較強(qiáng)的電負(fù)性，對(duì)環(huán)上電子束縛能力更強(qiáng)[1]，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著高于酚類物質(zhì)，抗氧化性也就更強(qiáng)，難以作為反硝化碳源。此外，氮雜環(huán)化合物等難降解有機(jī)氮在降解過程中逐漸積累，并進(jìn)一步釋放NH4+-N，阻礙全程硝化反硝化進(jìn)程[3]。混合營(yíng)養(yǎng)脫氮是一種利用有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物作為電子供體，結(jié)合了異養(yǎng)脫氮和自養(yǎng)脫氮的代謝優(yōu)勢(shì)的脫氮工藝?；旌蠣I(yíng)養(yǎng)體系中異養(yǎng)生物與自養(yǎng)生物之間緊密的互補(bǔ)作用增強(qiáng)了體系對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，有助于體系穩(wěn)定性提升，優(yōu)化低C/N 工業(yè)廢水的脫氮性能[1]。目前，混合營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝中鐵介導(dǎo)、硫介導(dǎo)和菌藻共生脫氮工藝因?qū)崿F(xiàn)了對(duì)氮污染物、有機(jī)污染物和其他污染物的高效協(xié)同去除，為處理低C/N工業(yè)廢水提供了高效、可持續(xù)的發(fā)展方向而受到廣泛關(guān)注。

本文從代謝機(jī)制出發(fā)，綜述了鐵介導(dǎo)、硫介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝和菌藻共生脫氮工藝處理低C/N工業(yè)廢水的研究進(jìn)展和影響因素，并提出混合營(yíng)養(yǎng)脫氮在低C/N工業(yè)廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。

1 外源電子供體介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮

1.1 主流生物脫氮

主流生物脫氮工藝處理低C/N工業(yè)廢水原理見圖1。傳統(tǒng)生物脫氮包括硝化和反硝化兩階段。硝化過程以O(shè)2作為電子受體，自養(yǎng)型氨氧化細(xì)菌（AOB，如Nitrosomonas）與硝化細(xì)菌（NOB，如Nitrobacter）依次實(shí)現(xiàn)NH4+-N→NO2--N→NO3--N的氧化過程。反硝化過程在異養(yǎng)反硝化細(xì)菌（DNB，如Pseudomonas）作用下以有機(jī)物作為電子供體完成硝酸鹽呼吸。傳統(tǒng)生物脫氮是一個(gè)持續(xù)耗能過程，僅硝化供氧所耗能量就占處理運(yùn)行成本的60%[4]，且完全反硝化需消耗大量有機(jī)碳源。Anammox 過程無(wú)需有機(jī)物和氧氣，Anammox 菌能利用NH4+、NO2-分別為電子供受體產(chǎn)生N2和NO3-。但低C/N工業(yè)廢水中大量酚類等有機(jī)物顯著抑制了Anammox 菌活性[5]。Sharon 工藝僅需微氧環(huán)境，即溶解氧（DO）為0.5～2.0mg/L[6]，并控制硝化進(jìn)行至NO2-，隨即進(jìn)入反硝化，其對(duì)碳源的需求顯著低于傳統(tǒng)生物脫氮工藝。盡管Sharon工藝能通過水解作用降解部分酚類等物質(zhì)，卻仍難以降解氮雜環(huán)化合物[7]，且該工藝需嚴(yán)格控制DO、溫度和pH，難以適應(yīng)實(shí)際的水質(zhì)波動(dòng)。因此，采用節(jié)能高效的新型脫氮工藝處理低C/N工業(yè)廢水具有重要意義。

圖1 主流生物脫氮工藝處理低C/N工業(yè)廢水

1.2 鐵介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮

鐵是維持微生物生命活動(dòng)的重要元素，能夠促進(jìn)微生物的電子轉(zhuǎn)移和酶的合成，增強(qiáng)微生物對(duì)氮的利用與轉(zhuǎn)化，對(duì)維持微生物活性、促進(jìn)新陳代謝起重要作用?；旌蠣I(yíng)養(yǎng)體系中，鐵參與氮循環(huán)并存在有利導(dǎo)向的生物脫氮過程稱為鐵介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮。鐵介導(dǎo)的生物脫氮機(jī)制因鐵源而異。本節(jié)以Fe0、Fe2O3和Fe3O4為代表，闡述不同價(jià)態(tài)鐵強(qiáng)化脫氮的電子轉(zhuǎn)移過程和代謝機(jī)理，并總結(jié)近年來(lái)鐵介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮的研究進(jìn)展和影響因素。

1.2.1 鐵介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮代謝機(jī)理

Fe0作為電子供體進(jìn)行反硝化時(shí)，非生物還原與生物還原同時(shí)發(fā)生：Fe0對(duì)NO3-的非生物還原主要產(chǎn)物為NH4+[8]；Fe0在水中熱力學(xué)不穩(wěn)定，不斷消耗水中DO 創(chuàng)造厭氧環(huán)境并腐蝕產(chǎn)生H2[9]。氫營(yíng)養(yǎng)型反硝化菌能利用鐵腐蝕產(chǎn)生的H2還原NO3-，最終產(chǎn)物為N2。另外，由于DO降低，廢水中惰性有機(jī)物因厭氧脅迫作為電子供體促進(jìn)異養(yǎng)反硝化，且代謝產(chǎn)生的CO2能為自養(yǎng)反硝化菌提供無(wú)機(jī)碳源，見圖2。然而，腐蝕生成的鐵氧化物覆蓋Fe0表面會(huì)阻礙腐蝕和電子轉(zhuǎn)移進(jìn)程。研究表明，通過投加少量碳源可強(qiáng)化Fe0生物腐蝕，并且Fe0和外加碳源協(xié)同作用能夠促進(jìn)混合營(yíng)養(yǎng)體系內(nèi)電子補(bǔ)給，提高脫氮效果[10]。

圖2 Fe0強(qiáng)化混合營(yíng)養(yǎng)脫氮

圖3 S0強(qiáng)化混合營(yíng)養(yǎng)脫氮

Fe2O3結(jié)晶度較低，在功能還原菌（如Geobacter）生物作用下持續(xù)溶出Fe(Ⅲ)[11]。在厭氧條件下，F(xiàn)eammox菌以Fe(Ⅲ)作為電子受體，將NH4+氧化為N2、NO3-和少量NO2-，同時(shí)生成Fe(Ⅱ)[11]。研究表明，F(xiàn)eammox 體系中同時(shí)存在Fe(Ⅱ)氧化，NH4+誘導(dǎo)的Fe(Ⅲ)還原和NOx-誘導(dǎo)的Fe(Ⅱ)氧化能驅(qū)動(dòng)新一輪Feammox，實(shí)現(xiàn)Fe-N 循環(huán)[11]。微生物還能快速利用Fe2O3溶出的微量Fe(Ⅲ)，避免生成沉淀阻礙污泥絮體傳質(zhì)過程和誘導(dǎo)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化自由基抑制脫氮過程[11-12]。另外，F(xiàn)e2O3的加入能夠富集異養(yǎng)反硝化菌，并且由于Fe2O3對(duì)外膜細(xì)胞色素有較高的親和力，能夠刺激胞外聚合物（EPS）分泌，加快電子轉(zhuǎn)移，提高異養(yǎng)反硝化脫氮效果[13]。然而，有機(jī)物作為電子供體在熱力學(xué)上優(yōu)于NH4+，因此當(dāng)易降解的有機(jī)物濃度較高時(shí)，會(huì)與NH4+競(jìng)爭(zhēng)電子受體Fe(Ⅲ)[11,14]。

Fe3O4介導(dǎo)的電活性微生物群具有高電容、低電阻的特點(diǎn)[15]。一方面，F(xiàn)e3O4能夠取代細(xì)胞色素c參與直接種間電子轉(zhuǎn)移，縮短反硝化反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，提高無(wú)機(jī)氮的去除效率[16]。另一方面，F(xiàn)e3O4能顯著增加活性污泥EPS的含量[17]，促進(jìn)微生物附著和聚集，抵抗毒性污染物，并進(jìn)一步加速物質(zhì)轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移以強(qiáng)化降解氮雜環(huán)等惰性有機(jī)氮。此外，F(xiàn)e3O4還能通過磁場(chǎng)強(qiáng)化微生物的活性，促進(jìn)氮污染物去除[18]。

近年來(lái)，鐵自養(yǎng)反硝化（NDFA）、鐵驅(qū)動(dòng)的異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）與Feammox 等過程的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，豐富了自然界中的Fe-N循環(huán)[19]。為深入研究以鐵為核心的氮素去除機(jī)制，探索NDFA、DNRA與Feammox和主流生物脫氮如Anammox、短程硝化反硝化的耦合途徑與影響因素，是混合營(yíng)養(yǎng)體系強(qiáng)化處理低C/N工業(yè)廢水和提高脫氮效能的重要方向。

1.2.2 研究進(jìn)展與影響因素

Wang 等[20]以鐵屑為主要基質(zhì)研究自養(yǎng)生物脫氮性能，發(fā)現(xiàn)鐵屑腐蝕產(chǎn)生的H2占電子供體總量的66.5%，體系能以52.32g N/(m·d)的反硝化速率高效穩(wěn)定地去除NO3-（以氮計(jì)）。pH為影響鐵介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮的主要環(huán)境因素，由于氫營(yíng)養(yǎng)型反硝化菌的最佳pH 為7.6～8.6[21]，pH＜8.5 會(huì)顯著抑制N2O 的還原速率[22]，而高pH 環(huán)境會(huì)導(dǎo)致NO2-積累[23]。因此，控制pH 是促進(jìn)厭氧鐵非生物還原和氫自養(yǎng)反硝化耦合的關(guān)鍵，可通過通CO2補(bǔ)償反應(yīng)消耗的酸度[22]或添加pH緩沖劑的方式調(diào)節(jié)pH并加速Fe0腐蝕以產(chǎn)H2。為進(jìn)一步提升Fe0介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化脫氮性能，可在Fe0體系中投加緩釋碳源，構(gòu)建混合營(yíng)養(yǎng)反硝化體系，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同脫氮。Deng 等[24]研究有機(jī)碳源投加量對(duì)Fe0強(qiáng)化混合營(yíng)養(yǎng)脫氮的影響，表明0.5mg COD/mg TN能將系統(tǒng)TN 去除率提高1.2 倍，并顯著加速Fe0腐蝕與H2生成。綜上所述，F(xiàn)e0介導(dǎo)的混合營(yíng)養(yǎng)脫氮具有處理高NO3-的低C/N工業(yè)廢水（如電鍍廢水）的廣闊應(yīng)用前景。

Zhu 等[11]研究不同F(xiàn)e(Ⅲ)氧化物對(duì)Feammox 的影響。結(jié)果表明：Fe2O3介導(dǎo)的Feammox體系中NH4+去除率較其他起正向效應(yīng)的鐵氧化物高1～2倍；廢水中高濃度有機(jī)物抑制了NH4+誘導(dǎo)的Fe(Ⅲ)還原[14]，進(jìn)水含COD組較無(wú)COD組NH4+去除率降低了23%；由于溶出的Fe(Ⅲ)不足以支持NH4+氧化，導(dǎo)致第30天時(shí)出水NH4+濃度上升。由此可見，C/N和電子容量是Fe2O3強(qiáng)化微生物自養(yǎng)脫氮的重要因素。另外，出水中Fe2+濃度出現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，證明Feammox和NDFO 過程互相利用反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)脫除NH4+和NO3-，并驅(qū)動(dòng)下一輪Feammox過程發(fā)生，促進(jìn)了廢水中氮污染物的去除[25]。Fe-N 循環(huán)拓寬了Fe2O3介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化工藝與其他脫氮工藝的耦合代謝路徑。Yin等[13]將納米Fe2O3覆蓋在活性炭電極上，構(gòu)建了混合營(yíng)養(yǎng)-生物膜電極反應(yīng)器。結(jié)果表明，納米Fe2O3的引入能夠富集假單胞菌（Pseudomonas）和熱單胞菌（Thermomonas），兩者相對(duì)豐度之和為72.47%，同時(shí)刺激EPS分泌，提高異養(yǎng)反硝化脫氮效果。Fe2O3溶出的Fe(Ⅲ)能促進(jìn)EPS分泌，加速氮雜環(huán)等難降解有機(jī)物分解[13]。因此，通過控制厭氧-好氧條件，F(xiàn)eammox 與其他異養(yǎng)反硝化工藝耦合構(gòu)建混合營(yíng)養(yǎng)脫氮體系對(duì)解決高NH4+、高NOx-的低C/N 工業(yè)廢水（如礦山廢水）具有重要的研究?jī)r(jià)值。

反硝化代謝過程中，電子轉(zhuǎn)移速率是影響脫氮效果的關(guān)鍵因素。王競(jìng)等[17]在微氧（DO=0.5～1.0mg/L）環(huán)境中投加亞微米級(jí)磁鐵礦顆粒，構(gòu)建Fe3O4/AS（活性污泥）復(fù)合體系強(qiáng)化降解喹啉，結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4不僅自身作為電子轉(zhuǎn)移載體，同時(shí)還提高了EPS中電子穿梭體（細(xì)胞色素c和類腐殖酸）的濃度，二者協(xié)同作用能夠加快芳烴降解菌與反硝化菌之間的胞外電子轉(zhuǎn)移速率，在Fe3O4和AS質(zhì)量比為0.25、進(jìn)水喹啉濃度為40～55mg/L、硝態(tài)氮濃度120mg/L 的低C/N 條件下，復(fù)合體系對(duì)NO3-和喹啉的平均去除率較AS 對(duì)照組分別高出64%和65%；復(fù)合體系中生物反硝化關(guān)鍵酶NR 和NIR 濃度分別是對(duì)照組的5.5倍和11.5倍，這表明Fe3O4能顯著提高生物代謝活性，使反硝化菌更充分地利用喹啉作為電子供體，加速NO3-還原為N2。近年研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4能促進(jìn)磁螺菌（Magnetospirillum gryphiswaldense）的富集，通過磁螺菌合成納米磁體[26]，維持Fe3O4強(qiáng)化電子轉(zhuǎn)移的作用。由于Fe3O4還具有吸附工業(yè)廢水中重金屬離子的能力，Su等[27]以Fe3O4為吸附材料合成了一種新型吸附劑和微生物固定載體——Fe3O4@Cu/PVA，它能夠富集自養(yǎng)反硝化菌，在厭氧條件下以Mn2+為電子供體，有效去除NO3-并實(shí)現(xiàn)較高的N2轉(zhuǎn)化率。綜上所述，F(xiàn)e3O4適用于高濃度氮雜環(huán)化合物的工業(yè)廢水（如焦化廢水）和高濃度Mn2+的冶金廢水的混合處理，構(gòu)建混合營(yíng)養(yǎng)體系實(shí)現(xiàn)NO3-、氮雜環(huán)化合物和Mn2+的高效同步去除。

1.3 硫介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮

1.3.1 代謝機(jī)理1.3.2 研究進(jìn)展與影響因素

Zhang 等[32]首次證明多硫化物的形成在廢水處理中的積極作用。硫還原劑將多硫化物還原為硫化物，隨后硫化物以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方式促進(jìn)多硫化物的生成以驅(qū)動(dòng)間接硫還原，并提高化學(xué)硫的生物利用度，強(qiáng)化硫氧化過程。然而，多硫化物不穩(wěn)定，酸性條件下容易分解成S0和硫化物。因此，pH 是控制硫介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮的關(guān)鍵環(huán)境因素，保持中性或堿性環(huán)境至關(guān)重要。S0驅(qū)動(dòng)的SDAD 是一種產(chǎn)酸工藝，每去除1g NO3--N伴隨著4.57g堿度的消耗[30]。研究報(bào)道[35]，在進(jìn)水pH 為7.5 條件下，混合營(yíng)養(yǎng)體系和SDAD 出水pH 分別為8.04 和7.6，這表明異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的堿度很大程度上被SDAD 消耗。因此，S0介導(dǎo)的混合營(yíng)養(yǎng)體系在穩(wěn)定適宜的pH 條件下能以多硫化物為間接反應(yīng)物，實(shí)現(xiàn)高速硫氧化，強(qiáng)化異養(yǎng)反硝化脫氮。Sahinkaya等[33]研究證明，S0介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)體系中NO3--N 去除率為0.45g/(L·d)，顯著高于SDAD。同時(shí)，由于堿度的降低，S0介導(dǎo)的混合營(yíng)養(yǎng)體系中SO42-產(chǎn)量也相應(yīng)下降。此外，S0產(chǎn)生的生物硫化物能與金屬離子生成不溶性金屬硫化物，這表明S0介導(dǎo)混合營(yíng)養(yǎng)體系還具有處理冶金廢水的能力[30]。

2 菌藻共生生物脫氮

目前應(yīng)用于低C/N工業(yè)廢水的傳統(tǒng)生物脫氮主要通過細(xì)菌異化硝酸鹽還原將廢水中的NO3--N 轉(zhuǎn)化為N2，但電子供體不足和高氨氮對(duì)反硝化過程的抑制導(dǎo)致脫氮效果不佳。相比而言，細(xì)菌與微藻相互作用形成的菌藻共生混合營(yíng)養(yǎng)體系兼具同化硝酸鹽還原作用和異化硝酸鹽還原作用，拓寬了工業(yè)廢水氮污染物降解路徑。同時(shí)，NH4+-N 被微藻同化合成有機(jī)氮儲(chǔ)存于細(xì)胞中，有效緩解了高氨氮對(duì)反硝化過程的抑制趨勢(shì)。另外，微藻營(yíng)光合自養(yǎng)，因而菌藻共生生物脫氮能有效克服主流生物脫氮處理低C/N工業(yè)廢水時(shí)電子供體不足的缺點(diǎn)，并且藻類與細(xì)菌共存能促進(jìn)彼此生長(zhǎng)，利用各自對(duì)污水中碳、氮元素的代謝優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低C/N工業(yè)廢水的強(qiáng)化處理[42]。

2.1 代謝機(jī)理

菌藻共生降解低C/N工業(yè)廢水氮污染物代謝路徑如圖4所示。微藻與細(xì)菌之間的相互作用關(guān)系較為復(fù)雜，涵蓋了相互利用代謝產(chǎn)物的互利共生關(guān)系和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng)與抑制關(guān)系。菌藻共生體系中，異養(yǎng)細(xì)菌降解有機(jī)物的過程中消耗O2、釋放CO2；微藻以CO2為碳源，利用細(xì)菌釋放的礦物質(zhì)和維生素B12等生長(zhǎng)，并產(chǎn)生O2和易降解有機(jī)物供給細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)互利共生，在節(jié)省供氧能耗的前提下同化氮污染物[43]。同時(shí)，菌藻共生體系中存在微藻與硝化細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)氨氮，以及光照抑制硝化細(xì)菌、細(xì)菌過度生長(zhǎng)阻礙藻類光合作用等問題。此外，微藻和細(xì)菌的互作機(jī)制還包括信號(hào)的釋放、接收和響應(yīng)，以協(xié)調(diào)菌藻的生長(zhǎng)與代謝活動(dòng)。菌藻共生處理低C/N工業(yè)廢水中，無(wú)機(jī)氮的脫除主要包含兩個(gè)途徑：一是藻類的同化吸收，NH4+是微藻同化的優(yōu)選氮源，其次是NO3-，NO3-、NO2-等可通過還原為NH4+再被微藻同化[44]；二是異養(yǎng)細(xì)菌常規(guī)反硝化脫氮。低C/N工業(yè)廢水中氮雜環(huán)化合物對(duì)藻類生長(zhǎng)具有抑制作用，不能被微藻直接同化。然而，藻類能夠有效富集多種氮雜環(huán)化合物并降解抗生素、偶氮染料等部分含氮有機(jī)物，隨后通過與異養(yǎng)細(xì)菌的協(xié)同代謝作用實(shí)現(xiàn)氮雜環(huán)化合物的有效降解[45,46]。

圖4 菌藻共生代謝氮污染物路徑

2.2 研究進(jìn)展與影響因素

近年來(lái)，菌藻共生已被有效應(yīng)用于處理工業(yè)廢水?；ぁ⒅扑幒图徔椀榷喾N工業(yè)廢水中均含有較高的鹽度，高鹽度通過抑制生物活性和細(xì)菌EPS聚合能力等因素影響脫氮效果。Meng等[47]利用菌-藻顆粒污泥（ABGS）和好氧顆粒污泥（AGS）處理鹽堿廢水，在高鹽度（4%）環(huán)境中，ABGS中總無(wú)機(jī)氮去除率保持在55.1%左右，優(yōu)于AGS中去除率（44.9%）。此過程中，高鹽度能刺激藻類生長(zhǎng)，從而提高超氧物歧化酶活性，緩解高鹽度脅迫下大量活性氧對(duì)細(xì)菌的抑制作用[48]。同時(shí)，高鹽度能促進(jìn)細(xì)菌分泌吲哚-3-乙酸，保護(hù)自身免受高鹽堿環(huán)境影響[49]，增進(jìn)菌-藻之間信息交換并為藻類生長(zhǎng)提供代謝物，二者協(xié)同作用增強(qiáng)了ABGS體系的穩(wěn)定性。菌藻共生技術(shù)為處理高鹽廢水與強(qiáng)化脫氮提供了高效的解決方案。

生物量流失是影響菌藻共生系統(tǒng)處理效果的一個(gè)重要因素，藻類產(chǎn)氧過程加大了其與污泥凝聚的難度，更容易受水力沖刷，采用生物載體有利于微生物的生長(zhǎng)附著，能有效避免出水中藻類的大量流失。Shi等[50]研究發(fā)現(xiàn)小球藻（Chlorella）能夠與厭氧菌（如Chlorobaculum）在聚氨酯（PU）填料上富集，維持厭氧環(huán)境，這有利于厭氧微生物強(qiáng)化煤氣化廢水中喹啉、吲哚等氮雜環(huán)化合物的開環(huán)降解，且氮雜環(huán)開環(huán)釋放的NH4+-N 在光照條件下能夠被小球藻有效利用。微藻的活性和敏感性是影響處理效果的另一關(guān)鍵因素，選擇高抗性和高活性的微藻至關(guān)重要。Wang等[45]在屬水平上選取6株微藻研究不同微藻對(duì)菌-藻生物絮團(tuán)形成的影響。結(jié)果表明，在同一接種水平下，不同微藻菌株的絮凝活性存在顯著差異，小球藻BWY-1 具有較強(qiáng)的生物絮凝能力，且在低微藻接種量（0.08g/L）處理時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)NH4+-N 濃度從50mg/L 至3mg/L 的迅速下降。菌藻共生體系與其他生物脫氮工藝的耦合同樣具有強(qiáng)化處理低C/N 工業(yè)廢水的研究與應(yīng)用潛力。Huang 等[51]構(gòu)建了菌藻共生耦合Anammox 的厭氧-好氧聯(lián)合工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低C/N消化尾水中NH4+的高效去除（100%）。此過程中，微藻利用無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物產(chǎn)生氧氣促進(jìn)全程硝化反硝化，而Anammox 顆粒污泥的多空心結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槲⑸锾峁┐罅课轿稽c(diǎn)并增加相關(guān)功能菌的豐度。

3 展望

總體上，菌藻共生工藝和鐵、硫介導(dǎo)的混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮對(duì)強(qiáng)化處理低C/N工業(yè)廢水具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。然而，實(shí)際工業(yè)廢水中成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動(dòng)大，氮污染物和毒性有機(jī)物的濃度不穩(wěn)定。鐵、硫介導(dǎo)的混合營(yíng)養(yǎng)體系處理低C/N工業(yè)廢水在機(jī)理研究和實(shí)際應(yīng)用中仍不夠成熟。工業(yè)廢水中高濃度毒性有機(jī)物和氨氮對(duì)菌藻共生體系中微生物造成嚴(yán)重的氧化脅迫，超出共生體系抗沖擊負(fù)荷能力時(shí)會(huì)導(dǎo)致體系崩潰。基于此，為繼續(xù)推進(jìn)上述工藝技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)展望。

（1）電子容量和電子轉(zhuǎn)移速率是降解廢水中污染物的關(guān)鍵因素。Li 等[52]制備Fe0-Fe3O4復(fù)合材料，利用Fe0高電子容量和Fe3O4高電子轉(zhuǎn)移速率的特性處理Cr6+，實(shí)現(xiàn)了近100%的去除率。這種高性能表現(xiàn)主要是通過削弱Fe0表面氧化層、誘導(dǎo)粒子間壓實(shí)效應(yīng)以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。理論上，這同樣適用于低C/N 工業(yè)廢水的脫氮處理。因此，探究Fe0-Fe3O4復(fù)合材料與微生物之間的相互作用機(jī)制，對(duì)實(shí)現(xiàn)更高效的工業(yè)廢水脫氮性能有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值；

（2）近年來(lái)，以生物電化學(xué)系統(tǒng)為核心的廢水處理技術(shù)得到廣泛研究，其中向陰極加入微藻的光合電化學(xué)體系（IPB）因其能為微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和降低能源需求的特點(diǎn)而受到關(guān)注。目前，IPB能夠?qū)崿F(xiàn)100%的NH4+去除率。由于菌藻驅(qū)動(dòng)的氮素轉(zhuǎn)化受到電場(chǎng)影響，NOx-和NH4+能在溶液中高速遷移以供細(xì)菌硝化反硝化和藻類同化吸收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量回收[53]。然而，IPB 中菌藻互作機(jī)制尚不明晰，對(duì)環(huán)境因子調(diào)控的響應(yīng)機(jī)制也有待研究，可進(jìn)一步探索其中氮污染物的代謝途徑，構(gòu)建高效的IPB脫氮體系。

（3）FeS 驅(qū)動(dòng)的的自養(yǎng)反硝化（IAD）因其成本效益和污泥產(chǎn)量低而成為一種很有前景的低C/N廢水中硝酸鹽和磷酸鹽的去除技術(shù)，但I(xiàn)AD的緩慢動(dòng)力學(xué)限制了其工程應(yīng)用。Bai 等[54]在IAD 基礎(chǔ)上添加S0構(gòu)建共電子供體體系（ISAD），在水力停留時(shí)間1～12h內(nèi)最高脫氮率達(dá)960mg/(L·d)，其優(yōu)越的脫氮性能歸因于FeS和S0之間的互作機(jī)制加速反硝化進(jìn)程，同時(shí)在ISAD中形成了多種N-S-Fe的協(xié)同代謝途徑，從而優(yōu)化污染物代謝性能。然而，相較異養(yǎng)反硝化，ISAD 的代謝動(dòng)力仍有限，考慮到ISAD 體系中氮代謝路徑的多樣性和包容性、功能微生物的協(xié)同性及硫、鐵作為菌藻代謝的必要性，構(gòu)建ISAD-微藻體系并探究其中的氮代謝途徑及互作機(jī)制可為進(jìn)一步提高基于ISAD 混合營(yíng)養(yǎng)體系的脫氮性能開辟新視野。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）Fe0腐蝕產(chǎn)氫提供優(yōu)質(zhì)電子供體來(lái)強(qiáng)化自養(yǎng)反硝化過程。Fe2O3能溶出易生物利用的Fe(Ⅲ)作為電子受體，豐富Feammox 過程中氮循環(huán)途徑。Fe3O4具有加速生物種間電子轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)，并以促進(jìn)EPS分泌的方式提高系統(tǒng)對(duì)氮雜環(huán)化合物的抗沖擊負(fù)荷能力和強(qiáng)化處理氮污染物。

（2）在中性或堿性條件下，S0能與自身還原產(chǎn)物HS-反應(yīng)生成多硫化物。多硫化物能代替S0作為電子供受體，極大提高S0的生物利用度和氧化還原速率，同步實(shí)現(xiàn)NOx-的還原和惰性有機(jī)物的降解。S2-作為電子供體具有極高的生物利用率，有效處理工業(yè)廢水中氮污染物并加速反硝化污泥顆?；?。

（3）菌藻共生工藝通過同化和異化硝酸鹽實(shí)現(xiàn)低C/N工業(yè)廢水中無(wú)機(jī)氮的深度脫除。同時(shí)，藻類能夠富集并降解氮雜環(huán)化合物，并以菌藻協(xié)同代謝方式有效降解。

（4）混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮技術(shù)應(yīng)用于低C/N工業(yè)廢水氮污染物降解的關(guān)鍵在于提高體系電子容量和電子轉(zhuǎn)移速率，圍繞這一核心因素耦合電化學(xué)體系構(gòu)建高效的生物電化學(xué)體系并深入研究氮代謝途徑是優(yōu)化混合營(yíng)養(yǎng)生物脫氮工藝的研究要點(diǎn)。